設施蔬菜生產機械研發的方向與思考*

陳 杰 吳軍輝 林開顏 司慧萍

（同濟大學新農村發展研究院，上海 楊浦 201804）

上海是一個國際化大都市，2022年常住人口近2 500萬，市民的“菜籃子”保障工作是當地政府的工作重點之一。通過30年“菜籃子”工程的建設與實施，上海設施蔬菜生產面積大幅度增加，生產條件得到了極大改善，蔬菜產品的市場供應能力得到了顯著提高，蔬菜質量安全性得到了較大改進［1，2］。2021年4月7日，中共上海市委、上海市人民政府頒布了《關于全面推進鄉村振興，加快農業農村現代化的實施意見》［3］，明確提出了落實“菜籃子”市長負責制，推進蔬菜保護區、保護鎮建設，確保地產蔬菜自給率穩定在40%以上、綠葉菜自給率穩定在80%以上。2022年4月，新冠肺炎疫情大面積爆發，上海全域實施靜默管理，物流受阻，導致外省市蔬菜難以入滬，使得原本自給率較低的蔬菜供應更加捉襟見肘。因此，上海迫切需要提升蔬菜供應的自給率，以應對突發情況。

當前，我國農業從業者逐漸老齡化，勞動用工短缺［4］，特別是像上海這樣以工業和商業為主要發展目標的大都市，農業勞動力短缺問題尤為突出［5，6］。為了解決上海蔬菜生產“人”的問題，貫徹落實上海市委、市政府頒布的《關于全面推進鄉村振興，加快農業農村現代化的實施意見》［3］，2021年5月8日，上海市農業農村委員會頒布了《上海市關于進一步加強蔬菜生產機器換人示范基地建設的通知》［7］，著力推進蔬菜生產設施宜機化、生產標準化、作業機械化和服務社會化，實現蔬菜生產“機器換人”。蔬菜生產“機器換人”的核心是農業機械的研發和推廣應用，設計者應與時俱進，充分考慮到科技進步、設施生產技術的發展以及農機和農技的結合，從系統性、可靠性、實用性和智慧化著手，研制穩定性好、適應性強、操作輕簡化、作業智能化的農機，最終實現設施蔬菜生產全程機械化作業。

1 系統性

1.1 全程化

設施蔬菜生產具有要求高、環節多、種類雜等特點。設施蔬菜生產環節包括耕整地、施肥、除草、覆膜、播種、移栽、植保、灌溉、施肥、通風換氣、保溫降溫、采收、產后包裝、運輸等，涉及的農機有耕整地機械、種植機械、植保機械、灌溉追肥機械、環境調控機械等［8］，這些設備與各生產環節組成了設施蔬菜生產的全鏈條。在這個鏈條上，只要有一個環節缺少相應的農業機械，就會造成短板效應，阻礙設施蔬菜生產機械化的進程。因此，科技人員在研發適宜設施蔬菜生產的農機時，要認真梳理與分析每一個環節步驟以及相對應的機械，彌補薄弱環節、補齊短板，以期實現蔬菜生產的全鏈條機械化。

1.2 完整性

設施蔬菜生產的每個環節都包含不同的步驟，這些步驟相互銜接，如果其中一個步驟出現問題，會影響整個機械裝置的工作效率和推廣應用。如綠葉蔬菜收割機，包括收割裝置、輸送裝置、儲存籃框、行走裝置、動力系統等，在工藝流程上有刀割、傳送、入框等。研發蔬菜收割機時，研發人員往往重視收割裝置的設計，而忽視了其它裝置的配套設計。如放菜的儲存籃框太小，與收割機的收割效率不匹配，收割時需要專門人員頻繁更換儲存籃框，既費力，也影響收割機的工作效率。采后的蔬菜包裝機械包括上料輸送帶、供膜成型機構、中封牽引機構、端封與切斷機構、稱量機構以及標簽打印粘貼機，配套的工藝流程有整理、輸送、包裝、切斷、稱重、貼標等。目前市場上銷售的一些包裝機，在整理、貼標等流程還需人工輔助，影響了包裝效率。自動化灌溉設備包括抽水泵、輸水管道、電磁閥、滴灌管或微噴頭等，對應抽水、輸送和灌溉等步驟。一些園藝場或蔬菜生產龍頭企業雖然配備了自動化灌溉設施，但常常因為泵站的抽水泵功率太小、輸送管道管徑過細，導致整個園區或基地的自動化灌溉水壓達不到要求等，只能依靠人工控制分片區灌溉。這就是因為研發人員沒有考慮到自動化灌溉的整體性而造成的弊端。可見，設施蔬菜生產機械的研發如果考慮不到各環節的所有步驟，會降低機械的實際使用效率并影響其推廣應用。

2 可靠性

可靠性是衡量產品質量、實現產品設計功能以及保證產品推廣應用的重要指標。設施蔬菜生產機械的可靠性也是農機研發和推廣過程中不可忽視的一個環節。

2.1 容錯性

近年來，隨著我國農業生產水平的快速提升，機械制造技術以及智能技術的普及，無人駕駛、自動導航和自主作業的智能化技術廣泛應用于各類農機上，“電腦替代人腦”越來越普及，農業機械逐漸走向智能化［9］。但是，電腦終究不是人腦，硬件系統和軟件系統不可避免地存在缺陷，而且還會受高溫高濕等不利環境條件地干擾出現操作失誤。雖然智能化、無人化是設施農機研發和應用的一個主流方向，但是農機一定要保留手動操作功能，且在設置操作優先權限上，人工手動操作的權限一定要高于自動化控制，保證在控制系統或其它部件突發故障時可以手動操作，以免影響蔬菜生產。

2.2 穩定性

農業機械經常在高溫高濕的設施大棚內運行，保持正常的工作狀態和性能對其是一種巨大的考驗，因此，穩定性也是農業機械研發人員必須重點考慮的一個因素。農機由各種零部件組成，零部件的種類多、數量大、企業雜、品控難，目前零部件質量已成為制約我國農機發展和應用的十分突出問題［10］。研發人員應嚴把質量關，盡量選用大品牌、信譽度高、質量好的零部件，以保證機械運行的穩定性以及維修保養的便捷性。

3 實用性

機械替代人工是農機研發的重要目標，便捷化、易操作、用途廣是保證農機推廣應用的重要推動力。因此，農機研發人員要從輕簡化、適用性等方面著手，提高農機的實用性。

3.1 輕簡化

隨著科學技術的發展，輕簡化、小型化已成為設施農業機械主要發展方向。要實現農機的便捷化，用鋰電池替代傳統的化石能源作為農機動力系統的能量來源是目前農機研發中普遍采用的方法［11］。采用鋰電池替代傳統的化石燃料，不僅可以減輕農機的質量，還有利于蔬菜生產的清潔化、低碳化。鋰電池農機的研發與普及雖然遠遠落后于新能源汽車和各類電動工具，但不可否認的是，鋰電池農機必將是今后農機發展的一個重要方向。和當前的電動車行業一樣，用鋰電池替代化石燃料的農機也存在續航焦慮、質量大以及功率匹配的難點。電池的續航時間太短，使用過程中需要不斷更換電池或進行充電，會給使用者帶來極大的不便；增加電池組的數量，雖然可以提高續航能力，但影響農機的輕簡化和使用的便捷化。設施蔬菜生產對農機有不同的作業需求，需要對應不同的電池功率和能耗，因此在設施蔬菜農機的研發上，應順應技術發展潮流，盡量選用鋰電池作為農機動力系統的能量來源。在鋰電池的選擇上，研發人員應針對功能需求，將續航時間、質量尺寸和功率能耗三者結合起來綜合考慮，以最大限度發揮鋰電池的優勢。

3.2 適用性

設施類型多樣、蔬菜種類和品種豐富、生產環節復雜、栽培環境多變，要求用于設施蔬菜生產的農機要具備一定的兼容性，以適應不同的作業對象和作業環境［12］。例如綠葉菜收割機，在研發設計上要考慮到作物的株高和采收高度，收割刀具的收割高度能夠靈活調整；作物栽培的壟或畦高度不一，就要設計高度可調的作業機構，使其根據實際的壟畦高度調整作業高度；同樣，作物栽培的壟或畦寬度也不一樣，農機作業的幅寬也要根據實際的情況留有調整的空間；研發人員應根據土壤質地（如沙土、壤土、黏土）設計仿形機構，使農機隨著地面起伏變化而運動，從而保持作業深度不變。提高農業機械的適應性是推動農機推廣應用的重要舉措。

4 智慧化

截至2019年底，我國已成為世界第一農機生產大國和使用大國，但是我國農機的整體水平與世界發達國家還存在著較大的差距。當今，物聯網、大數據、人工智能技術突飛猛進，大數據、智慧的先進算法、云技術的進步，為推動我國農機智能化的發展打下了基礎［13］。在今后農機的研發上，智能化是必須重視的一個重要環節。

4.1 云系統的應用

云系統是指所有的電子產品以及帶有通訊接口的各種終端設備能夠通過互聯網相互連接，使得云系統中的所有設備能夠實現信息共享、遠程操控、云端服務等智能化作業。2020年起，我國大力推進新型基礎設施建設［14］，特別是以5G、物聯網為代表的通信網絡基礎設施，以人工智能、云計算為代表的新技術基礎設施，以及以數據中心、智能計算中心為代表的算力基礎設施的建設，為新型農機云系統的應用提供了條件。云系統的應用可實現追溯監管、大數據利用、遠程操控以及精細化管理。利用云平臺，農機的作業信息（如播種、移植、植保、采收、包裝等）可一鍵上云，既能夠作為農產品安全追溯的主要數據來源，也便于相關職能部門的監管。利用云系統可以遠程操控農機，完成一系列的農事作業，既節省勞力，又能充分利用云端的專家系統提升農事操作管理的精準性和科學性。數據是實現智能農業的基礎和關鍵所在，數據獲取需要通過不同的方法和手段：一方面，安裝在栽培現場的固定傳感器會獲得許多有價值的數據；另一方面，農機的運行和操作數據也是農業大數據的重要組成部分，農機運行和作業的信息一鍵上云，結合生產現場固定傳感器的數據，利用云平臺進行大數據分析，能夠為設施蔬菜智能化生產提供更多有效的數據支持。云系統還可為設施蔬菜生產實行精細化管理提供幫助。例如，采收和包裝的數據一鍵上云，可以根據產量數據合理安排銷售，提升企業的經濟效益。

4.2 無人化作業

機器換人的核心是省力化，省力化的最高境界是無人化。在無人機、無人駕駛技術飛速發展與應用的大背景下，農機的無人化進程也在進一步加快。特別是在北斗衛星、GPS系統以及圖像識別技術的支撐下，農機作業讓“四自”（自動導航、自主行走、自動識別和自主作業）成為可能。在設施生產農機的開發上，如何利用現代化的智能技術，實現農機工作的“四自”是當前農機研發工作的一個新趨勢和發展方向。